應用于高壓直流輸電系統(tǒng)的混合有源電力濾波器

凃玲英， 王胡

(湖北工業(yè)大學 電氣與電子信息工程學院， 湖北 武漢 430068)

應用于高壓直流輸電系統(tǒng)的混合有源電力濾波器

凃玲英， 王胡

(湖北工業(yè)大學 電氣與電子信息工程學院， 湖北 武漢 430068)

針對高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)換流站的交流側諧波造成了電能質量下降的問題，在傳統(tǒng)混合有源電力濾波器的基礎上提出一種新結構——混合有源電力濾波器(HAPF).即將有源電力濾波器(APF)部分與基波諧振支路并聯(lián)后，以一雙調諧濾波器作為注入支路，同時又獨立掛載一雙調諧濾波器，以無源電力濾波器(PPF)濾除一部分諧波，APF部分濾除一部分諧波.從注入支路的阻抗特性、無功靜補償能力、諧波抑制特性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性幾個方面分析混合有源電力濾波器的優(yōu)越性，并利用MATLAB/SIMULINK平臺對所提的新結構進行仿真分析.實驗結果表明：該混合有源電力濾波器具有良好的諧波補償性能. 關鍵詞： 混合有源電力濾波器； 諧波抑制； 高壓直流輸電系統(tǒng)； 諧波補償； MATLAB仿真

由于電力電子器件的非線性，在高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)的換流站交流側，不可避免地產(chǎn)生了高次諧波，引起了交流電網(wǎng)的電能質量下降問題[1].目前，工程上常用的主要濾波方式是結合了無源電力濾波器(PPF)和小容量的有源電力濾波器(APF)兩者的優(yōu)點，但隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高，有源部分的容量也隨之增加，應用范圍減小.所以探索一種適應于HVDC系統(tǒng)的混合有源電力濾波器(HAPF)，治理HVDC系統(tǒng)換流站交流側的諧波，成為HAPF的研究熱點.王小偉等[2]提出了一種雙諧振注入式結構，解決了HAPF易無功過補償?shù)膯栴}.孟金玲等[3]對雙諧振注入結構HAPF建立的數(shù)學模型，便于定量分析HAPF的特性.帥智康等[1]提出了串聯(lián)諧振注入式結構，有利于抑制電網(wǎng)諧波放大現(xiàn)象.孫浩等[4]對已提出的4種典型HAPF結構做了濾波特性的對比分析，找到具有較好濾波特性的HAPF拓撲結構.已有文獻所提的HAPF結構通常較適用于中低壓系統(tǒng)，也并不針對HVDC系統(tǒng)換流站的交流側的諧波成分特點.為此，本文以HVDC系統(tǒng)換流站的交流側為濾波對象，結合文獻[1-2]的研究成果，提出一種HAPF的新結構，使HAPF不僅有濾波作用，還有部分無功補償能力.

1 HAPF的新拓撲結構

圖1 混合濾波器的新結構Fig.1 New structure of hybrid filters

基于文獻[5]所示的HAPF傳統(tǒng)結構，提出的HAPF新結構，如圖1所示.針對HVDC系統(tǒng)換流站交流側主要產(chǎn)生5，11，13，25次諧波的特點，設計了11/25雙調諧PPF組.將5/13雙調諧濾波器與基波諧振支路串聯(lián)，形成了APF的注入支路.這一注入支路結構降低了APF部分的基波分壓，同時，PPF也使一部分諧波電流無法注入的APF部分注入支路，減小了注入支路的電流，從而起到了減小APF部分容量的作用.

2 注入支路的特性分析

2.1 注入方式阻抗特性對比分析

由于文中是將傳統(tǒng)HAPF的注入支路為單一電容的形式變?yōu)橐粋€雙調諧無源濾波器，為了驗證該變化可在一定程度上減小基波串聯(lián)諧振支路的分壓，從而降低有源部分的容量，對兩種注入方式進行了對比分析.根據(jù)高東輝等[6]提出的雙調諧濾波器的結構和參數(shù)設計方法，設計了5/13，11/25雙調諧濾波器和基波諧振支路參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示.表1中：傳統(tǒng)注入支路電容C為36 μF[5-7]；3個無源濾波器的Q值均為30.

表1 雙調諧濾波器及基波諧振支路參數(shù)

圖2 注入支路的阻抗特性對比Fig.2 Comparison of impedance characteristics in injection branch

對兩種注入支路的頻率(f)-阻抗(Z)(取絕對值)特性進行了對比分析，如圖2所示.由圖2可知：傳統(tǒng)電容式注入支路的阻抗隨頻率的增加而減小，必然會使大量的諧波電流流入基波諧振支路，引起基波諧振支路較高的諧波分壓，不利于APF的容量下降；而所提出的新結構，雖然在諧振頻率處阻抗較低(設計需要)，但在調諧頻率附近呈現(xiàn)較高的阻抗，能夠取得較高的諧波分壓，從而降低了基波諧振支路的分壓，減小了有源部分的容量.

2.2 基波諧振支路分壓對比分析

圖3 基波諧振支路的分壓對比Fig.3 Comparison of partial pressure in fundamental resonance branch

HAPF的有源部分經(jīng)耦合變壓器與基波串聯(lián)諧振支路并聯(lián)，故基波串聯(lián)諧振支路的分壓一定程度上決定了有源部分的容量[1].用基波諧振支路的阻抗與注入支路的總阻抗的比值對兩種結構的基波諧振支路分壓進行對比分析，結果如圖3所示.圖3中：M為基波諧振支路分壓比值.由圖3可知：在低頻段，兩種結構都呈現(xiàn)出較低的基波諧振分壓，但所提的新結構基波諧振分壓更??；在高頻部分，雖然兩者趨同，但電網(wǎng)諧波主要集中于1 000 Hz以下.所以,所提的新結構具有減小有源部分容量的作用.

2.3 無功靜補償能力定性對比分析

由于每一頻次的諧波可以看作是諧波無功分量和有功分量的和，因此,不論是APF還是PPF,其諧波補償?shù)淖饔帽厝粫袩o功補償能力.以換流站的主要諧波為補償對象，自然會有一定的無功補償能力.由圖2可知：當頻率小于諧振點頻率時，傳統(tǒng)的電容注入支路與所提新結構的阻抗呈容性，兩者具備無功補償能力，在第一個諧振點f=250 Hz后,所提新結構的阻抗較大；又因為基波串聯(lián)諧振支路的阻抗特性相同[3]，所以新結構的注入支路分壓較好，有效降低了基波分壓，該諧振點后又有感性無功補償能力.第二個諧振點f=650 Hz前后有同樣的無功補償性質的交替情況.這相對于傳統(tǒng)的注入電容支路而言，為保證一定的諧波注入能力,通常注入電容會較大，具有避免系統(tǒng)的無功過補償?shù)膬?yōu)越性[1].

3 對新結構的濾波特性分析

3.1 對新型HAPF的數(shù)學模型建立

圖4 HAPF的新單相等效電路圖Fig.4 New single-phase equivalent circuit of HAPF

對圖1所示的新結構化簡，并作單相等效電路，如圖4所示.電壓電流參數(shù)含義如圖4標注.由基本的電路定理和網(wǎng)絡分析方法可得

(1)

采用方鳳才[7]提出的復合控制策略，將APF控制為受控電流源，即有

(2)

由式(1)～(2)可得諧波抑制函數(shù)為

(3)

圖5 不同k值下的諧波抑制特性曲線Fig.5 Curves of harmonic suppression characteristic under different k

3.2 放大倍數(shù)k對諧波抑制特性的影響

不同k值下的諧波抑制特性曲線，如圖5所示.由圖5可知：當k=0時，即為只有無源濾波器投入時的情況，可以看到對5,11,13,25次諧波有明顯衰減，驗證了表1中雙調諧濾波器的結構及參數(shù)的正確性;在投入APF部分后，當k=10時，幾乎整條曲線都處于0 dB以下，體現(xiàn)出較好的諧波抑制性能；隨著k的增加，諧波抑制效果增加，但當k=20，40時，對基波電流也有大幅衰減，即有大量基波電流流入APF部分，不利于APF部分的容量減小.因此，認為取k=10較合適.

3.3 電網(wǎng)參數(shù)變化對諧波抑制性能的影響

不同電網(wǎng)電感L的諧波抑制特性曲線，如圖6所示.由圖6可知：在L由0.05 mH變化到1 mH的過程中，三條特性曲線幾乎重合，僅在諧振點處略有偏差，說明所提出的新結構對電網(wǎng)參數(shù)的改變不敏感，有源部分的加入很好地抑制了無源部分與電網(wǎng)間的諧振[8-10].

3.4 基波與無源濾波器失諧對諧波抑制性能的影響

因參數(shù)改變導致濾波器失諧將對濾波器性能產(chǎn)生影響，為此考慮基波支路與PPF部分同時分別失諧±50%，±20%時，對諧波抑制特性曲線的影響，如圖7所示.由圖7可知：在高頻與低頻段都出現(xiàn)了諧振點的偏移，這可能對APF部分所承擔的補償容量產(chǎn)生影響.對該影響的定量分析有待進一步研究，從總體上看，所提新結構仍然有較好的諧波抑制性能.

圖6 不同電網(wǎng)電感L的諧波抑制特性曲線 圖7 基波失諧與PPF失諧對諧波抑制特性的影響 Fig.6 Curves of harmonic suppression Fig.7 Influences of fundamental wave mismatch and characteristic under different grid inductance L PPF mismatch on harmonic suppression

4 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

將G(S)看作Ish與Ilh之間的傳遞函數(shù)，利用MATLAB軟件和表1中的數(shù)據(jù)，可以得到該閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點圖和閉環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖的局部放大圖，分別如圖8～9所示.

圖8 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)零極點圖 圖9 系統(tǒng)的奈奎斯特圖的局部放大圖 Fig.8 Zero pole figure of open-loop transfer Fig.9 Partial enlarged Nyquist graph of system function in closed-loop system

由圖8可知：開環(huán)傳遞函數(shù)無極點在s平面的右半側，說明開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定.由圖9可知：奈氏曲線沒有包含(-1,0)點，由奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)[11]判定該系統(tǒng)穩(wěn)定.

5 仿真與實驗分析

對同樣的不可控整流諧波源，采用基于瞬時無功功率理論[12-13]的諧波電流檢測方法和基于滯環(huán)比較PWM生成方法，在MATLAB/SIMULINK中分別搭建所提新結構和傳統(tǒng)結構的仿真模型，并進行仿真分析，結果如圖10～12所示.

(a) 電流波形圖 (b) 電流頻譜圖圖10 濾波前的一相電流波型及頻譜圖Fig.10 One-phase current waveform and spectrum diagram before filtering

(a) 電流波形圖 (b) 電流頻譜圖圖11 傳統(tǒng)結構濾波后的一相電流波型及頻譜圖Fig.11 One-phase current waveform and spectrum diagram with traditional structure filter

(a) 電流波形圖 (b) 電流頻譜圖圖12 新結構濾波后波形及頻譜圖Fig.12 Waveform and spectrum diagram with new structure filter

對比圖11，12可知：兩種結構都有較好的濾波效果，但所提的新結構效果較好，經(jīng)過濾波后波形畸變率由15.2%降為了2.81%.

在實驗室分別搭建了傳統(tǒng)結構與新結構的實驗平臺，非線性負載由可控整流電路模擬，選取三菱公司的PM300DSA120型逆變器，額定電壓為1 200 V，額定電流為300 A，直流側由整流器供電.為驗證所提結構的優(yōu)越性，將其與文獻[3]所提的雙諧振注入結構進行了對比分析,結果如表2所示.由表2可知：投入雙調諧結構后的結果與文獻[14-15]的結果較為相近，但所提結構的諧波抑制性能更優(yōu)，特別是對5，13次諧波的衰減上效果較好，驗證了注入支路的設計.

表2 新結構與雙諧振注入結構濾波實驗對比分析結果

6 結論

提出一種注入式HAPF的新結構，與傳統(tǒng)的電容式注入結構相比，新結構有利于APF容量的減小，從而適應更高電壓等級的應用.同時，由于雙調諧注入支路和PPF的存在，使該結構具有一定的無功補償能力，又有控制無功過補償?shù)男阅?

仿真結果表明：所提新結構具有良好的諧波抑制能力和魯棒性，幾乎不受電網(wǎng)阻抗參數(shù)變化的影響.在基波諧振支路和無源濾波器分別失諧±50%，±20%的極端情況下，也能保持較好的濾波性能.

利用Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)，借助MATLAB工具，證明了該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，通過SIMULINK仿真與實驗驗證了其良好的濾波性能.

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(責任編輯： 黃曉楠 英文審校： 吳逢鐵)

Hybrid Active Power Filter Used in High-Voltage Direct Current Transmission System

TU Lingying， WANG Hu

(School of Electrical and Electronic Information Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

A new structure, hybrid active power filter (HAPF), has been proposed on the basis of traditional hybrid active power filter to solve problems about decline of power quality caused by the high voltage direct current (HVDC) transmission system on the ac side harmonics. In the new structure, the active power filter (APF) has been made in parallel with the fundamental wave resonance branch, then with a pair of tuned filter as the injection branch, and at the same time a pair of tuned filter been independently mounted to filter part of the harmonic through passive power filter (PPF) as well as APF. Several advantages of the hybrid active power filter have been analyzed from the injection branch impedance characteristics, the reactive power static compensation capacity, harmonic suppression characteristics and the stability of the system. And the new structure has been simulated in the MATLAB/SIMULINK. The experimental results show that the hybrid active power filter has good harmonic compensation performance. Keywords： hybrid active power filter； harmonic suppression； high-voltage direct current transmission system; Harmonic compensation； MATLAB simulation

10.11830/ISSN.1000-5013.201702015

2016-03-09

凃玲英(1963-)，女，副教授，主要從事信號與信息處理、嵌入式技術的研究.E-mail:947392311@qq.com.

湖北省自然科學基金資助項目(2014CFB585)

TM 711

A

1000-5013(2017)02-0212-06